摘要
纵观脑科学的发展历史，对大脑运动功能的探索始终居于脑科学研究的最前沿。随着脑科学研究的进展，学术界对大脑运动功能产生与传导的载体及机制的认识也在不断革新，如从皮质到皮质下结构，从简单连接到复杂功能网络。当前，神经外科多模态脑功能定位及保护技术的应用在推动对大脑运动功能深入理解的同时，也有助于逐步攻破运动功能区病变的手术壁垒。放眼未来，全面解析大脑运动功能网络性质，大力发展神经外科辅助技术，必将为大脑运动功能研究的发展和神经外科术中的脑功能保护开启崭新的篇章。
近年来，神经外科手术理念逐渐发生转变，手术过程中的大脑保护从脑解剖结构保护演变为脑功能保护。脑功能区的认识范畴也从特定功能对应的脑结构，扩展至皮质和皮质下复杂的神经功能网络结构。遗憾的是，虽然大量研究致力于揭示大脑的神经功能网络，但其结果尚不能详细阐述神经功能的分布，因此揭示神经环路仍然是脑科学研究中亟需解决的问题。神经外科作为惟一能够直接接触大脑的学科，可以为脑解剖结构和神经功能网络结构的研究提供直接证据，在脑科学研究中具有重要价值。因此，如何推动对大脑神经功能网络机制的全面解析，实现更好的大脑功能保护，是未来神经外科研究的重点和方向。
一、运动功能网络的拓扑性质
运动功能是人类的初级功能。运动的产生依靠初级运动皮质产生的神经冲动，通过运动网络进行传递，并最终作用于骨骼肌产生运动。既往的研究表明，初级感觉皮质、初级运动皮质、辅助运动区皮质及皮质脊髓束等结构是运动网络最主要的组成部分。各皮质之间通过纤维联系，形成运动网络。感觉皮质通过“Ｕ”型纤维与初级运动皮质和感觉相关皮质连接[1]；初级运动皮质通过皮质脊髓束作用于脊髓前角细胞；感觉相关皮质通过整合感觉运动信息指导辅助运动区皮质[2]，从而使辅助运动皮质通过皮质下结构作用于初级运动皮质，实现对运动的精细调节[3]（图1）。因此，探明运动网络的分布，是了解其损伤机制和保护运动网络的前提。
拓扑是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持一些性质不变的一门学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑其形状和大小。而在拓扑结构中，只有改变节点或者连接才能导致拓扑结构的改变。
在既往关于脑胶质瘤引起运动网络损伤的研究中，研究者更多关注的是某一皮质和某些皮质下结构的损伤与患者相关症状的对应关系。极少有研究者从拓扑的角度出发，对脑胶质瘤造成运动网络中各重要功能节点的损伤程度、各功能节点之间的连接强度改变以及各节点之间的连接形式改变进行研究。
正如在临床中常见的生长于中央前回“手节区”的脑胶质瘤患者，有时即使肿瘤完全累及手运动功能区，患者的手运动功能也未必受损；而累及了辅助运动区或皮质脊髓束的脑胶质瘤患者，也会出现对应的偏瘫症状。再如，当肿瘤累及辅助运动区时，患者术后常出现一过性运动障碍（即辅助运动区综合征），这类患者常在术后3个月恢复其运动功能。有研究表明，这类患者的患侧运动区与对侧辅助运动区皮质的功能连接强度明显增高[4]。这些现象提示我们：引起运动功能障碍的原因并非一定是某些特定皮质的损伤所致，还可能是参与运动功能网络的节点（特定的初级运动区、辅助运动区、皮质下结构）以及节点之间信息的传递受到破坏所致。此外，初级运动皮质由于其功能的单一性，以及白质纤维的组织学结构特点，所以并不具备较强的功能重塑能力[5]。这也恰恰从侧面说明，结构上显示手运动区占位，但患者未出现运动功能障碍的原因并非是运动皮质功能重塑，而是参与手运动网络控制的皮质部分未被真正破坏[6]。
基于拓扑学理论和脑运动功能网络的研究进展与临床实践，本团队提出了脑运动功能区的拓扑网络损伤学说：脑运动功能网络拓扑结构的稳定是其发挥正常功能的基础，当大脑占位性病变引起局部结构形状改变但拓扑性质未变时，脑运动功能网络可以维持正常功能；当大脑占位性病变引起运动网络拓扑结构发生改变，即重要节点损伤、或节点间的连接损伤、或信息传递路径发生改变，导致脑运动网络拓扑属性发生改变时，才会引起运动功能障碍；而由于皮质和皮质下结构重塑，网络重排，使得运动拓扑网络被还原或近似还原，继而恢复原有的拓扑属性，使运动功能逐渐恢复。基于该损伤学说，我们认为，位于运动功能区的大脑占位性病变，应综合考虑肿瘤累及位置及脑运动功能网络拓扑结构状态进行分型，从而为评估手术风险提供可靠的依据。
然而，基于现有功能成像和纤维解剖技术，运动拓扑网络的实际分布尚未被充分揭示，目前仅能通过多模态功能磁共振序列大致了解运动网络的重要节点，如某一功能特定的运动皮质、感觉皮质、辅助运动区皮质的位置以及各节点之间皮质下连接的形式。而对于特定运动功能所对应的特定皮质的精细结构（毫米级结构）和连接形式等尚不明确，难以阐明其运动网络拓扑的属性。因此，目前所采用的术前影像学技术、术中神经电生理监测技术对指导术者保护运动功能的效果有限。完全揭示运动拓扑网络的皮质及皮质下分布，明确其信息传递形式以及对应的拓扑属性，是亟待解决的科学问题。
二、多模态脑功能定位及保护技术的临床应用现状
大脑的功能网络极其复杂，单一技术无法实现准确的功能评估。随着医学与工程学的有机结合，多种技术的联合使用可实现精细脑功能网络的构建，一方面可以加强术中关键功能网络节点的保护；另一方面，通过促进神经功能环路的代偿和重塑，加快功能的恢复，进而提高手术的安全性。
目前，静息态血氧水平依赖的功能磁共振成像（resting-state blood oxygen level-dependent functional MRI, rs-fMRI）在国内的应用越发普及。该序列能客观反映具有相同功能皮质（节点）之间的相关关系，进而定位与特定功能相关的脑功能网络拓扑结构。弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是另一种临床较为普及的功能磁共振检查序列，它能够对白质纤维束进行定量追踪分析。联合应用rs-fMRI与DTI技术，能够揭示大脑拓扑结构节点间的功能和解剖联系，可以构建大脑功能网络[7]。通过分析功能网络的拓扑属性（包括全局效率、最短路径、节点效率等），可以判断网络中的各节点和连接结构的重要性，在术前预测大脑病变切除后的功能网络改变程度，进而实现对关键功能网络节点的定位和保护[8]。
基于多模态影像学数据的神经导航系统，可以在手术过程中实现肿瘤、脑功能网络的实时定位。与术中超声的联合应用，在很大程度上降低了因脑漂移导致的误差，大大提高了定位的准确性[9]。目前，脑功能定位的“金标准”是直接皮质及皮质下电刺激，该技术为大脑皮质及皮质下结构的功能定位提供了直接证据。从Penfild绘制中央前回、中央后回皮质功能分布的经典“cortical homunculus”图[10]，到Duffau证实中央前回腹侧而非额下回是运动性语言中枢，再到发现中央前回嘴部侧存在上肢和面部运动抑制区，直接电刺激为构建精细、准确的脑功能网络提供了有力支持[11-12]。此外，神经外科医生还可对皮质下功能的连接进行验证和探索，结合手术前大脑功能网络模型，明确大脑病变与功能网络的真正关系，不仅可以完善大脑功能网络模型，还可实时指导手术切除，保护大脑功能。直接电刺激的应用还深入到高级认知领域，如执行功能、决策功能以及推理功能等，为保护大脑病变切除患者的高级认知功能提供理论基础和技术支持。
不可否认，即便联合使用上述方法，仍然无法完全避免手术对于大脑功能的损伤风险，因此，探究促进功能恢复的辅助技术尤为重要。虽然初级运动区及感觉区皮质的功能可塑性较差，但其他大脑皮质的功能仍具有较高的重塑能力。经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）能够促进神经元树突棘的生长[13]，促进运动拓扑网络重塑与恢复。此外，研究发现高频率重复TMS可以在短期内增强辅助运动区与初级运动皮质之间的功能连接。利用这种特性，重复TMS被用于卒中后偏瘫患者的康复治疗，并在一定程度上加快了患者运动功能的恢复[14]。结合本团队的临床治疗经验，我们发现重复TMS可能通过刺激皮质的重塑、激活潜在的神经通路，而加快术后出现辅助运动区综合征患者的功能恢复。因此，随着重复TMS研究的深入和其他有效康复治疗技术的出现，患者术后的功能必将得到改善，为大脑病变的最大安全切除提供保障。
三、新技术的开发与转化是脑功能保护的需要
目前，医疗技术发展迅速，大脑病变的治疗不再局限于外科手段。随着新兴治疗技术的出现和应用，患者对手术后生命质量的要求日益增高。虽然上述技术可以在术前、术中和术后为患者的功能保护提供支持，使病变切除更为彻底，同时大脑功能也得到最大程度的保护，但这些技术的临床应用仍存在一些亟需解决的问题。随着脑网络拓扑理论的深入研究，以及脑功能网络定位技术的不断发展，如新磁共振序列的开发、神经导航技术的更新以及人工智能技术的应用，使得术前准确预测脑功能网络的变化、术中精确定位脑功能网络的分布、术后重复TMS等康复技术促进脑功能的恢复将会逐步实现。
参考文献
